DE69105342T2

DE69105342T2 - Method and device for detecting knock in an internal combustion engine.

Info

Publication number: DE69105342T2
Application number: DE69105342T
Authority: DE
Inventors: Takanobu Ichihara; Kozo Katogi; Hiroatsu Tokuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: EP0454486A2; US5230316A; EP0454486B1; EP0454486A3; DE69105342D1

Description

General state of the art 1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine und eine diesbezügliche Vorrichtung.The present invention relates to a method for detecting knocking in an internal combustion engine and a related device.

2. Description of the state of the art

Es gibt verschiedene Arten von Klopferkennungsverfahren und diesbezüglichen Vorrichtungen, die dazu geeignet sind, einen in einer Brennkraftmaschine auftretenden Klopfzustand zu erkennen. In der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nummer 45520/1983 wird zum Beispiel eine Klopferkennungsvorrichtung offenbart, die dazu geeignet ist, eine Frequenz eines Ausgangssignals, die dem Klopfen eigen ist, aus einem Klopferkennungssensor zu filtern und das Auftreten eines Klopfzustands durch die Bewertung zu entscheiden, ob die Amplitude der Frequenzkomponente einen vorbestimmten Pegel überschreitet oder nicht.There are various types of knock detection methods and related devices capable of detecting a knocking condition occurring in an internal combustion engine. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 45520/1983 discloses a knock detection device capable of filtering a frequency of an output signal inherent in knocking from a knock detection sensor and deciding the occurrence of a knocking condition by judging whether or not the amplitude of the frequency component exceeds a predetermined level.

Bei dieser früheren Vorrichtung wird ein Klopfsignal jedoch immer in dem gleichen Kurbelwinkelbereich bewertet, das heißt, daß eine vorbestimmte Fenster-Position und eine Bogenlänge der Kurbelwinkel für die Klopferkennung verwendet werden. Da der Bereich, in dem die Klopferkennung erfolgt, vorher festgelegt wird, ist es nicht möglich, den Kurbelwinkel genau zu bestimmen, bei dem die maximale Amplitude des Klopfens auftritt. Diesbezüglich gilt, daß sich die maximale Amplitude des Klopfens mit der Frequenz ändert, und die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß sich die Frequenz mit der Kurbelwinkelposition ändert. Es konnte festgestellt werden, daß wenn gemäß dem Stand der Technik ein übermäßig breites Fenster zur Erfassung der Klopffrequenz verwendet wird, wobei die Fensterposition ebenso feststehend ist, die Rauschfrequenzkomponenten, die zum Beispiel durch die Vibration eines Ventils bewirkt werden, eine wesentliche Auswirkung in dem Meβfenster haben und eine Fehleinschätzung der Klopffrequenz (und somit des Kurbelwinkels) haben können.However, in this prior device, a knock signal is always evaluated in the same crank angle range, that is, a predetermined window position and an arc length of the crank angle are used for knock detection. Since the range in which knock detection is carried out is predetermined, it is not possible to accurately determine the crank angle at which the maximum amplitude of the knock occurs. In this regard, the maximum amplitude of the knock changes with the frequency, and the inventors of the present invention have found that the frequency changes with the crank angle position. It has been found that if an excessively wide window is used according to the prior art, is used to detect the knock frequency, where the window position is also fixed, the noise frequency components caused for example by the vibration of a valve, have a significant effect in the measurement window and can cause a misestimation of the knock frequency (and hence the crank angle).

Hiermit wird festgestellt, daß der Motorblock eine bestimmte Eigenfrequenz aufweist und daß die Klopffrequenz gemäß dem Stand der Technik dadurch erkannt wird, daß die Vibrationsenergie bewertet wird. Wie dies bereits erwähnt worden ist, bewirkt die Vibration mechanischer Quellen, die zum Beispiel durch die Funktion von Einlaß- und Auslaßventilen erzeugt wird, andere Eigenfrequenzen. In der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nummer 63-219874 wird die Verwendung von mehr als einem Filter zur Trennung bestimmter Eigenfrequenzen offenbart. Normalerweise werden mehr als ein Filter verwendet, wenn analoge Elemente, die diskrete Teile umfassen, oder wenn digitale Filter verwendet werden.It is noted that the engine block has a certain natural frequency and that the knock frequency is detected according to the prior art by evaluating the vibration energy. As already mentioned, the vibration of mechanical sources, for example generated by the operation of intake and exhaust valves, causes other natural frequencies. Japanese Patent Laid-Open No. 63-219874 discloses the use of more than one filter to separate certain natural frequencies. More than one filter is usually used when analog elements comprising discrete parts or when digital filters are used.

In den japanischen Patentauszügen, Band 8, Nr. 183 (P-296) (1620), 23.08.84, wird offenbart, daß die Genauigkeit der Klopferkennung durch Filtern in einer Mehrzahl von Bandpaßfiltern verbessert werden kann, so daß einer der Filter die Klopf- Grundfrequenz weiterleitet, während die anderen Filter unterschiedliche Oberschwingungen der Grundfrequenz weiterleiten. Die Ausgaben der verschiedenen Filter werden gleichgerichtet, und in Abhängigkeit des gleichgerichteten Signals wird die Zündeinstellung des Motors verändert. In FR-A-2571141 wird ferner offenbart, daß ein durch die Kurbelwellenwinkel definiertes Winkelfenster so verwendet werden kann, daß die Position des Fensters auf vorbestimmte Weise so eingestellt wird, daß der beste Rauschabstand vorgesehen wird. Die Position des Fensters wird so ausgewählt, daß sie sich außerhalb der Kurbelwinkelposition befindet, an der die Ventile geschlossen sind, da der Verschluß der Ventile Vibrationen erzeugt, die fälschlicherweise als Klopfen interpretiert werden könnten. Wenn ein Klopfen auftritt, so existiert ein Signal mit hoher Amplitude, das sich innerhalb der Dauer des Winkelfensters befindet. Das Anliegen der in dem französischen Patent offenbarten Erfindung ist die Erkennung eines Fehlers des Systems zur Erkennung eines Klopfzustands, und das Winkelfenster wird in vorbestimmten Intervallen erweitert, so daß externe, mechanische Ceräusche, wie etwa durch das Schließen der Ventile verursachte Ceräusche, eingeschlossen werden. Zur Erkennung eines Klopfzustands wird somit ein Fenster θ&sub1; verwendet und ein Fenster mit erhöhter Länge θ&sub2; wird zu diagnostischen Zwecken verwendet. In beiden Fällen werden die Fensterlänge und die Position vorher festgelegt.In Japanese Patent Abstracts, Volume 8, No. 183 (P-296) (1620), 23.08.84, it is disclosed that the accuracy of knock detection can be improved by filtering in a plurality of bandpass filters so that one of the filters passes the fundamental knock frequency while the other filters pass different harmonics of the fundamental frequency. The outputs of the various filters are rectified and in dependence on the rectified signal the ignition timing of the engine is changed. In FR-A-2571141 it is further disclosed that an angular window defined by the crankshaft angles can be used so that the position of the window is adjusted in a predetermined manner to provide the best signal-to-noise ratio. The position of the window is selected to be outside the crank angle position at which the valves are closed. because the closure of the valves generates vibrations which could be mistakenly interpreted as knocking. When knocking occurs, a high amplitude signal exists which is within the duration of the angular window. The purpose of the invention disclosed in the French patent is to detect a failure of the system for detecting a knocking condition, and the angular window is widened at predetermined intervals so as to include external mechanical noises such as noises caused by the closing of the valves. Thus, a window θ1 is used to detect a knocking condition and a window of increased length θ2 is used for diagnostic purposes. In both cases, the window length and position are predetermined.

Jedoch sind alle obengenannten früheren Versuche zur genauen Erkennung der Frequenz und der Kurbelwinkelposition eines Klopfzustands nicht flexibel, und aufgrund der Tatsache, daß Filter verwendet werden, ist es unbedingt erforderlich, daß die Mittenfrequenzen der Filter vorher festgelegt werden. Dadurch wird es unmöglich, die Mittenfrequenzen der Filter in einer Situation, in der sich die Eigenfrequenzen aufgrund einer Veränderung der Betriebsbedingungen des Motors und der altersbedingten Verschlechterung des Motors an sich verändern, auf die Eigenfrequenzen einzustellen. Somit ist es gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, eine hochgenaue Erkennung eines Klopfzustands in einer Brennkraftmaschine zu verwirklichen. Außerdem weist der dem Stand der Technik entsprechende Versuch den Nachteil auf, daß bei der Verwendung analoger Filter eine Anzahl an Filtern erforderlich ist, die der Anzahl der zu teilenden Frequenzen entspricht, so daß sich die Kosten der Filter und deren Größe erhöhen.However, all of the above-mentioned prior attempts to accurately detect the frequency and crank angle position of a knocking condition are not flexible, and due to the fact that filters are used, it is essential that the center frequencies of the filters be set in advance. This makes it impossible to adjust the center frequencies of the filters to the natural frequencies in a situation where the natural frequencies change due to a change in the operating conditions of the engine and the deterioration of the engine itself with age. Thus, it is not possible to realize highly accurate detection of a knocking condition in an internal combustion engine according to the prior art. In addition, the prior art attempt has the disadvantage that when analog filters are used, a number of filters corresponding to the number of frequencies to be divided is required, so that the cost of the filters and their size increase.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung bezüglich der Genauigkeit der Klopferkennung zu erzielen, die durch obige bekannte Techniken nicht vollständig erreicht werden kann, und zwar auf der Basis der Entdeckungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung bei ihren zahlreichen Versuchen bezüglich dem Verhältnis zwischen der Frequenz eines erfaßten Klopfsignals und einem Kurbelwinkel. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens vorzusehen, wodurch es möglich ist, die Ausgangsleistung und den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to achieve an improvement in the accuracy of knock detection, which cannot be fully achieved by the above known techniques, based on the discoveries made by the present inventors in their numerous experiments regarding the relationship between the frequency of a detected knock signal and a crank angle. It is also an object of the present invention to provide a method and an apparatus for detecting knock, whereby it is possible to improve the output power and fuel consumption of an internal combustion engine.

Summary of the invention

Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einem Klopferkennungssensor, durch Erkennung der durch Klopfen verursachten Motorvibration durch den Klopferkennungssensor, und zwar zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten Winkel abhängig von einem zu erkennenden Frequenzvibrationsspektrum unabhängig verändert wird.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for detecting knocking in an internal combustion engine having a crankshaft and a knock detection sensor, by detecting the engine vibration caused by knocking by the knock detection sensor, namely between a first and a second angle of the crankshaft, characterized in that at least one of the first and second angles is independently changed depending on a frequency vibration spectrum to be detected.

Im weitesten Sinne der Erfindung ist die Anfangsposition des Fensters, in dem die Erkennung erfolgt, zeitlich veränderbar und die Periode des Erkennungsfensters ist zeitlich abhängig veränderbar, wobei es wesentlich ist, daß das Fenster so schmal wie möglich und so beweglich ist, daß die maximale Vibrationsfrequenz erkannt wird.In the broadest sense of the invention, the initial position of the window in which the detection takes place can be changed over time and the period of the detection window can be changed over time, whereby it is essential that the window is as narrow as possible and so movable that the maximum vibration frequency is detected.

Da der Klopfzustand in einem Frequenzspektrum auftritt ist es wünschenswert, daß eine Mehrzahl von Frequenzspektren, die jeweils unterschiedliche erste und zweite Zeitpunkte aufweisen, zur Bestimmung der Klopfintensität getrennt analysiert werden.Since the knocking condition occurs in a frequency spectrum, it is desirable that a plurality of frequency spectra, each having different first and second times, be analyzed separately to determine the knocking intensity.

Hiermit wird festgestellt, daß die ersten und zweiten Zeitpunkte durch erste und zweite Winkel der Kurbelwelle dargestellt werden können, wobei es nicht unbedingt erforderlich ist, die Zeitpunkte ins Verhältnis mit den Kurbelwellenwinkeln zu setzen, wobei dies aus praktischen Gründen erfolgt.It is hereby established that the first and second times can be represented by first and second angles of the crankshaft, it being not absolutely necessary to relate the times to the crankshaft angles, this being done for practical reasons.

In vorteilhafter Weise wird eine Mehrzahl von Frequenzspektren erfaßt, die jeweils unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen.Advantageously, a plurality of frequency spectra are recorded, each having different center frequencies.

Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist die Anfangsposition des Fensters in der Position veränderlich, so daß der erste Kurbelwinkel veränderlich ist, jedoch kann es unter bestimmten Umständen bevorzugt werden, die Fensterlänge vorher festzulegen, so daß der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln ebenso vorbestimmt werden kann. Hiermit wird jedoch festgestellt, daß der Bogenabstand zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln im Vergleich zum Stand der Technik geringer ist, da die Position der Meβfenster veränderlich ist, während die Fensterposition und die Fensterlänge bei früheren Techniken vorbestimmt waren und breit sein mußten, um den Klopfzustand zu erkennen. Somit ist der Kurbelwinkelbereich zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln beschränkt, so daß der durch mechanisches Rauschen, wie etwa durch hin- und hergehende Motoreinlaß- und Auslaßventile verursachte Vibrationseffekt verringert wird.As described above, the initial position of the window is variable in position so that the first crank angle is variable, however, under certain circumstances, it may be preferable to predetermine the window length so that the difference between the first and second crank angles can also be predetermined. It is noted, however, that the arc distance between the first and second crank angles is smaller compared to the prior art since the position of the measuring windows is variable, whereas the window position and window length in previous techniques were predetermined and had to be wide to detect the knocking condition. Thus, the crank angle range between the first and second crank angles is limited so that the vibration effect caused by mechanical noise such as reciprocating engine intake and exhaust valves is reduced.

Vorzugsweise werden die Frequenzspektren zur Bestimmung eines Gesamtklopfsignalpegels analysiert, und wobei die Zündeinstellung des Motors verzögert wird, wenn der Pegel einen vorbestimmten Pegel übersteigt.Preferably, the frequency spectra are analyzed to determine an overall knock signal level, and wherein the ignition timing of the engine is retarded when the level exceeds a predetermined level.

Bei einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Frequenzspektrum an einer Mehrzahl von Abtastpunkten in dem Spektrum erfaßt, wobei die Abtastwerte analylisiert werden. Bei der Analyse handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine schnelle Fouriertransformations- oder eine Walsh- Fouriertransformations-Analyse, die an sich bekannt sind.In a presently preferred embodiment, the frequency spectrum is acquired at a plurality of sample points in the spectrum, the samples being analyzed. In this embodiment, the analysis is a fast Fourier transform or a Walsh Fourier transform analysis, which are known per se.

Da sich das Motorklopfen abhängig von den Betriebsparametern ändert, werden die ersten und zweiten Winkel abhängig von der Motordrehzahl, der Motorwassertemperatur, der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftfeuchtigkeit oder der Motorkilometerlaufleistung verändert.Since engine knocking changes depending on the operating parameters, the first and second angles are changed depending on the engine speed, engine water temperature, intake air temperature, intake air humidity or engine mileage.

In vorteilhafter Weise stellt jedes der Frequenzspektren einen Vibrationsmodus in einem entsprechenden Zylinder des Motors dar. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Frequenz der maximalen Amplitude in vorteilhafter Weise für jedes Frequenzspektrum durch Datenanalyse an zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Frequenz-Abtastwerten erfaßt.Advantageously, each of the frequency spectra represents a vibration mode in a corresponding cylinder of the engine. In one embodiment of the invention, the frequency of the maximum amplitude is advantageously determined for each frequency spectrum by data analysis on two or more consecutive frequency samples.

Zur Verbesserung der Genauigkeit der Klopferkennung wird die Frequenz der maximalen Amplitude mit einem Bewertungsfaktor multipliziert, und wobei die bewerteten Frequenzen der maximalen Amplitude für jeden Modus summiert werden, so daß ein Tonindex vorgesehen wird, wobei der Klopfzustand durch einen Vergleich des Tonindexes mit einem vorbestimmten Signal erkannt wird. Der verwendete Bewertungsfaktor verringert normalerweise den Rauschabstand, wobei das Signal die Klopffrequenz darstellt, und wobei das Rauschen das innere mechanische Rauschen des Motors darstellt, das durch die Einlaßventile, usw. erzeugt wird.To improve the accuracy of knock detection, the maximum amplitude frequency is multiplied by a weighting factor and the weighted maximum amplitude frequencies for each mode are summed to provide a tone index, the knock condition being detected by comparing the tone index with a predetermined signal. The weighting factor used typically reduces the signal-to-noise ratio, the signal representing the knock frequency and the noise representing the internal mechanical noise of the engine generated by the intake valves, etc.

Wenn der Tonindex somit über einem vorbestimmten Signal liegt, so wird die Zündeinstellung verzögert.If the tone index is above a predetermined signal, the ignition timing is delayed.

In vorteilhafter Weise werden die ersten und zweiten Kurbelwinkel in den nächsten Zyklus geschoben, wenn sich die Frequenz der maximalen Amplitude nicht zentral in dem Frequenzspektrum befindet, so daß die Frequenz der maximalen Amplitude zentralisiert wird.Advantageously, the first and second crank angles are shifted to the next cycle if the frequency of the maximum amplitude is not centrally located in the frequency spectrum so that the frequency of the maximum amplitude is centralized.

Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung des Klopfens in einer Brennkraftmaschine, mit einem Klopferkennungssensor zur Erkennung des durch Motorvibration erzeugten Klopfens, und mit einer Verstelleinrichtung zur Bewertung der Signale des Klopferkennungssensors zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur unabhängigen Veränderung mindestens eines der ersten und zweiten Winkel, und zwar abhängig von einem zu erkennenden Vibrationsspektrum.According to a further aspect of the present invention, a device is provided for detecting knocking in an internal combustion engine, with a knock detection sensor for detecting the knocking generated by engine vibration, and with an adjustment device for evaluating the signals of the knock detection sensor between a first and a second angle of the crankshaft, characterized by a device for independently changing at least one of the first and second angles, depending on a vibration spectrum to be detected.

Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Zeipunkte durch erste und zweite Winkel einer Kurbelwelle des Motors dargestellt.Preferably, the first and second points in time are represented by first and second angles of a crankshaft of the engine.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bewertung des erkannten Vibrationsfrequenzspektrums und eine Einrichtung zum Vergleich einer Ausgabe der Bewertungseinrichtung mit einer Einrichtung, welche einen vorbestimmten Signalpegel erzeugt, und eine Einrichtung zur Veränderung der Zündeinstellung des Motorsignals, wenn die Ausgabe der Bewertungseinrichtung einen vorbestimmten Signalpegel überschreitet.In a preferred embodiment, the apparatus comprises a means for evaluating the detected vibration frequency spectrum and a means for comparing an output of the evaluating means with a means which generates a predetermined signal level, and a means for changing the ignition timing of the engine signal if the output of the evaluating means exceeds a predetermined signal level.

Durch die vorliegende Erfindung kann somit das Fenster der Frequenzmessung bezüglich der Position und der Länge verändert werden, und die Mittenfrequenz des Fensters kann während dem Betrieb verschoben werden. Durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung wird die Klopferkennung optimiert, und das Ergebnis kann zur Korrektur der Zündeinstellung der Brennkraftmaschine verwendet werden.The present invention thus allows the frequency measurement window to be changed in terms of position and length, and the center frequency of the window can be shifted during operation. By applying the present invention, knock detection is optimized, and the result can be used to correct the ignition timing of the internal combustion engine.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Klopfsensor mit linearer Frequenz, zur Funktion in einem Bereich, der ausreichend breit ist, um Klopferkennungssignale einzuschließen und um somit mehr als eine bestimmte Frequenz einzuschließen, die bei Auftreten eines Klopfzustands erzeugt wird, und wobei eine Mehrzahl von Klopfsignalen erkannt werden kann.The apparatus of the invention includes a linear frequency knock sensor for functioning over a range sufficiently wide to encompass knock detection signals and thus to encompass more than a particular frequency generated when a knock condition occurs, and wherein a plurality of knock signals can be detected.

Die altersbedingte Verschlechterung des Motors wird in geeigneter Weise durch Erfassung der Kilometerlaufleistung des Kraftfahrzeugs gemessen, und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands kann die Verschlechterung des Motors bewerten und sie kann das Meβfenster zur Klopferkennung abhängig von der zeitlichen Verschlechterung des Motors verschieben, wodurch die Erkennung eines Klopfzustands optimiert wird. Für gewöhnlich wird ein Mikrocomputer zur Analysierung des Ergebnisses des Abtastens verwendet, so daß die Klopferkennung in Echt zeit ausgewertet wird, um die Motorleistung und den Wirkungsgrad der Verbrennung zu optimieren.The age-related deterioration of the engine is suitably measured by detecting the mileage of the motor vehicle, and the knock detection device according to the invention can evaluate the deterioration of the engine and can shift the measurement window for knock detection depending on the deterioration of the engine over time, thereby optimizing the detection of a knock condition. Usually, a microcomputer is used to analyze the result of the sampling so that the knock detection is evaluated in real time to optimize the engine performance and the combustion efficiency.

Short description of the drawings

Es zeigen:Show it:

die Figuren 1(a) und 1(b) entsprechend ein Wellenformdiagramm und einen Craphen des grundlegenden Verhältnisses der vorliegenden Erfindung zwischen dem Bereich der Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (N.O.T.), wobei das Ausgangssignal von dem Klopfsensor und eine Vibrationskomponente aufgenommen (erfaßt) werden;Figures 1(a) and 1(b) are a waveform diagram and a graph, respectively, of the basic relationship of the present invention between the range of crank angles after top dead center (N.O.T.), the output signal from the knock sensor and a vibration component are detected;

die Figuren 2(a) - 2(f) in graphischer Form ein Verfahren zur Bestimmung eines optimalen Kurbelwinkelbereichs gemäß den erfaßten Frequenzen;Figures 2(a) - 2(f) show in graphical form a method for determining an optimum crank angle range according to the detected frequencies;

Figur 3 das gesamte System einer Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands verwendet wird;Figure 3 shows the entire system of a control device for an internal combustion engine, wherein an embodiment of the device according to the invention is used for detecting a knocking condition;

Figur 4(a) ein Blockschaltungsdiagramm des inneren Teils eines Reglers, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der Vorrichtung aus Figur 3 eingesetzt wird, verwendet wird;Figure 4(a) is a block circuit diagram of the internal part of a controller used in the knock detection device according to the invention in an embodiment of the invention used in the device of Figure 3;

Figur 4(b) ein schematisches Blockdiagramm der Konstruktion einer Klopfsignalaufnabme;Figure 4(b) is a schematic block diagram of the construction of a knock signal pickup;

Figur 4(c) ein Zeitdiagramm, das die Funktionsweise des Klopfsignalsensors darstellt;Figure 4(c) is a timing chart showing the operation of the knock signal sensor;

Figur 5 ein Flußdiagramm eines Signalverarbeitungsvorgangs zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3;Figure 5 is a flow chart of a signal processing procedure for evaluating the occurrence of a knock condition in the embodiment of Figure 3;

Figur 6 ein Flußdiagramm eines Signalverarbeitungsvorgangs zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3;Figure 6 is a flow chart of a signal processing procedure for evaluating the occurrence of a knock condition in the embodiment of Figure 3;

die Figuren 7(a) und 7(b) schematische Blockdiagramme eines anderen Reglers bzw. einer anderen Signalaufnahme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;Figures 7(a) and 7(b) are schematic block diagrams of another controller and signal pickup, respectively, that may be used in the present invention;

Figur 8 eine Impulsübesicht, die den Signalaufnahmevorgang in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7(a) und 7(b) veranschaulicht;Figure 8 is a pulse chart illustrating the signal pickup process in the embodiment of Figures 7(a) and 7(b);

Figur 9 ein Flußdiagramm, das einen Klopfbewertungsvorgang in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7(a) und 7(b) darstellt;Figure 9 is a flow chart illustrating a knock evaluation process in the embodiment of Figures 7(a) and 7(b);

Figur 10 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine, bei der eine Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewandt wird;Figure 10 is a block diagram of an internal combustion engine to which a knock detection device according to another embodiment of the present invention is applied;

die Figuren 11(a) und 11(b) eine erläuternde Darstellung eines Eigenschwingungsmoduses;Figures 11(a) and 11(b) are an explanatory diagram of a natural vibration mode;

Figur 12 ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Teils der in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 10 verwendeten Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands;Figure 12 shows a currently preferred embodiment of a portion of the device used in the embodiment of Figure 10 for detecting a knock condition;

die Figuren 13(a) - 13(h) zur Erklärung der Funktionsweise der Vorrichtung aus Figur 10 nützliche Wellenformen;Figures 13(a) - 13(h) show waveforms useful in explaining the operation of the device of Figure 10;

die Figuren 14(a) - 14(e) Flußdiagramme der Verfahren zur Klopferkennung in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 10;Figures 14(a) - 14(e) are flow charts of the methods for knock detection in the embodiment of Figure 10;

Figur 15 eine graphische Darstellung der für die Klopferkennung verwendeten Frequenzeigenschaften; undFigure 15 is a graphical representation of the frequency characteristics used for knock detection; and

Figur 16 eine graphische Darstellung der Veränderung der Frequenzen für die Klopferkennung bei einer altersbedingten Verschlechterung des Motors.Figure 16 is a graphical representation of the change in the frequencies for knock detection with age-related deterioration of the engine.

In den Figuren bezeichnen übereinstimmende Bezugsziffern die gleichen Teile.In the figures, corresponding reference numerals indicate the same parts.

Description of the preferred embodiment

In bezug auf die Figuren 1(a) und 1(b) der beigefügten Zeichnungen werden vor der Beschreibung der Ausführungsbeispiele die Tatsachen veranschaulicht, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung in bezug auf das Verhältnis festgestellt haben, das zwischen einem Ausgangssignal von einem Klopferkennungs- Vibrationssensor und einem Kurbelwinkel besteht, an dem die Aufnahme des Ausgangssignals beginnt.Referring to Figures 1(a) and 1(b) of the accompanying drawings, before describing the embodiments, the facts which the inventors of the present invention have found with respect to the relationship between an output signal from a knock detection device and Vibration sensor and a crank angle at which the recording of the output signal begins.

Die Figur 1(a) zeigt ein Ausgangssignal von einem Motorvibrations-Erkennungssensor und einen Kurbelwinkelbereich θ&sub1; (der bei 10º nach dem O.T. beginnt), an dem die Aufnahme des Ausgangssignals beginnt, sowie einen Bereich anderer Kurbelwinkel θ&sub2; (der bei 16º nach dem O.T. beginnt), zu dem θ&sub1; geändert wird, wobei O.T. für den oberen Totpunkt und N.O.T. für nach dem oberen Totpunkt steht. Zur leichteren Erklärung gleichen sich die Kurbelwinkelbereiche, das heißt die Zeit bzw. die Bogenlänge des Winkels θ&sub1; und des Winkels θ&sub2; sind gleich und nur deren Anfangsposition ändert sich. Jedoch ermöglicht es diese Erfindung auch, daß sowohl die Anfangsposition von θ&sub1; und θ&sub2; als auch die Zeit bzw. die Winkel θ&sub1; und θ&sub2; zueinander unterschiedlich sind. Die Ergebnisse einer bezüglich jedem dieser Kurbelwinkel ausgeführten Frequenzanalyse ist in Figur als m(θ&sub1;), m(θ&sub2;) dargestellt. Wie dies aus diesen Figuren deutlich wird, schwankt die charakteristische Klopffrequenz, wenn der Anfangspunkt der Erkennung für einen Kurbelwinkelbereich verändert wird (selbst wenn θ&sub1; gleich θ&sub2; ist). Es wird davon ausgegangen, daß die Ursache dafür in der Schwankung der Eigenfrequenzdes Klopfens liegt, die auf die unterschiedliche Temperatur während einem Arbeitshub in einem Zylinder zurückzuführen ist. Zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in bezug auf eine Vibrationskomponente auf einer bestimmten Frequenz wird aus diesem Grund im Kurbelwinkelbereich ein Signal aufgenommen, wobei die Klopfeigenschaften klar in bezug auf die Frequenz erscheinen, und somit verbessert sich die Genauigkeit der Klopferkennung.Figure 1(a) shows an output signal from an engine vibration detection sensor and a crank angle range θ1 (starting at 10° after TDC) at which the output signal is started to be recorded, and a range of other crank angles θ2 (starting at 16° after TDC) to which θ1 is changed, where TDC stands for top dead center and NDC stands for after top dead center. For ease of explanation, the crank angle ranges are equal to each other, that is, the time or arc length of the angle θ1 and the angle θ2 are equal and only their initial position changes. However, this invention also allows both the initial position of θ1 and θ2 to be changed. and the time or the angles θ1 and θ2 are different from each other. The results of a frequency analysis performed on each of these crank angles are shown in Figure as m(θ1), m(θ2). As is clear from these figures, the characteristic knock frequency fluctuates when the detection start point is changed for a crank angle range (even if θ1 is equal to θ2). It is considered that the cause of this is the fluctuation of the natural frequency of knocking due to the difference in temperature during a power stroke in a cylinder. For this reason, in order to evaluate the occurrence of a knock condition with respect to a vibration component at a certain frequency, a signal is recorded in the crank angle range, whereby the knock characteristics appear clearly with respect to the frequency, and thus the accuracy of knock detection is improved.

Ein Verfahren zur Vorbestimmung des Kurbelwinkelbereichs, bei dem die Aufnahme des Signals in bezug auf jede Frequenz ausgeführt wird, wird nun in bezug auf Figur 2 beschrieben.A method for predetermining the crank angle range in which the sampling of the signal is carried out with respect to each frequency will now be described with reference to Figure 2.

Die Figur 2(a) zeigt die Ausgabe eines Vibrationssensors, und Figur 2(b) zeigt den Bereich der Kurbelwinkel θ&sub1;, θ&sub2;,, ..., θn, in dem die Vibrationssensorausgabe erfaßt (aufgenommen) wird.Figure 2(a) shows the output of a vibration sensor, and Figure 2(b) shows the range of crank angles θ1, θ2,, ..., θn in which the vibration sensor output is detected (sampled).

Die Figuren 2(c) und 2(d) zeigen die Ergebnisse der Bestimmung der spektralen Pegel unterschiedlicher Frequenzen f&sub1;, f&sub2;, f&sub3;, die mit dem Kurbelwinkel ausgeführt werden, wobei das Vibrationssensor-Ausgangssignal entsprechend in den Figuren 2(c) und 2(d) geändert wird. In Figur 2(c) entspricht der spektrale Pegel der Frequenz einem Fall, wo kein Klopfzustand erkannt wird, und in Figur 2(d) entspricht der spektrale Pegel der Frequenz dem Fall, wo ein Klopfzustand erkannt wird, und beide Craphen sind gemäß den Kurbelwinkeln in der Mitte der Kurbelwinkelbereiche dargestellt, in denen die Frequenzanalyse ausgeführt wird. Da der Zeitpunkt des Auftretens des Klopfens von Zündtakt zu Zündtakt geringfügig schwankt, werden diese spektralen Pegel dadurch bestimmt, daß ein Durchschnittswert der spektralen Pegel gemäß einer vorbestimmten Anzahl an Zündtakten (z.B. 50 Zündtakte) ermittelt wird. Die Figur 2(e) zeigt ein Verhältnis des spektralen Pegelns bei Auftreten eines Klopfens zu einem spektralen Pegel ohne Klopferkennung, d.h. einen Rauschabstand, der bezüglich jeder Frequenz und gemäß jedem Kurbelwinkelbereich auf der Basis der Darstellungen in den Figuren 2(c) und 2(d) bestimmt wird, wobei sich die Kurbelwinkelbereiche für f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; voneinander unterscheiden können.Figures 2(c) and 2(d) show the results of determination of the spectral levels of different frequencies f1, f2, f3 carried out with the crank angle, with the vibration sensor output signal changed accordingly in Figures 2(c) and 2(d). In Figure 2(c), the spectral level of the frequency corresponds to a case where no knocking condition is detected, and in Figure 2(d), the spectral level of the frequency corresponds to the case where a knocking condition is detected, and both graphs are shown according to the crank angles in the middle of the crank angle ranges in which the frequency analysis is carried out. Since the timing of occurrence of knocking varies slightly from ignition cycle to ignition cycle, these spectral levels are determined by obtaining an average value of the spectral levels according to a predetermined number of ignition cycles (e.g., 50 ignition cycles). Figure 2(e) shows a ratio of the spectral level when knocking occurs to a spectral level when no knocking is detected, i.e., a signal-to-noise ratio, which is determined with respect to each frequency and according to each crank angle range on the basis of the illustrations in Figures 2(c) and 2(d), wherein the crank angle ranges for f₁, f₂, f₃ may differ from each other.

Der Kurbelwinkelbereich, in dem die Aufnahme eines Signals ausgeführt wird, wird auf der Basis der Darstellung in Figur 2(e) auf einen Bereich festgesetzt, in dem der Rauschabstand in bezug auf jede Frequenz einen vorbestimmten Pegel (zum Beispiel 1,5) nicht unterschreitet.The crank angle range in which the acquisition of a signal is carried out is set to a range in which the signal-to-noise ratio with respect to does not fall below a predetermined level (for example 1.5) at any frequency.

Wie dies in Figur 2(f) dargestellt ist, ermöglicht dieses Verfahren die Bestimmung eines Kurbelwinkels αfi (wobei sich i auf die Frequenz 1, 2, ... bezieht), bei dem die Aufnahme eines ignals beginnt und des Bereichs βfi (i=1, 2,...) der Kurbelwinkel gemäß der Zeit zwischen dem Beginn der Signalaufnahme und dem Ende der Aufnahme (diese Zeiten können aneinander entsprechen bzw. unterschiedlich zueinander sein).As shown in Figure 2(f), this method allows the determination of a crank angle αfi (where i refers to the frequency 1, 2, ...) at which the acquisition of a signal begins and the range βfi (i=1, 2, ...) of the crank angles according to the time between the start of the signal acquisition and the end of the acquisition (these times may be the same or different from each other).

Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Systemkonfiguration einer Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Luft tritt in den Einlaß eines Luftfilters 1 ein und wird durch eine Röhrenleitung 3 in einen Zylinder eines Motors 7 gesaugt, wobei die Röhrenleitung ein Drosselgehäuse 5 mit einem Drosselventil und eine Ansaugleitung 6 umfaßt. Der Durchf luß der Ansaugluft wird zum Beispiel durch einen in der Röhrenleitung 3 vorgesehenen Hitzdraht-Luftströmungssensor 2 erfaßt und ebenso erfaßt wird ein das den Durchfluß darstellendes Signal, das in eine Motorsteuereinheit (ECU) 9 eingegeben wird. Von einer Einspritzeinrichtung 16 eingespritzter Kraftstoff wird mit der Ansaugluft gemischt, und das resultierende gasförmige Cemisch wird dem Zylinder des Motors 7 zugeführt. Eine in einer Zündspule 13 erzeugte Hochspannung wird über einen Verteiler 14 an eine Zündkerze 15 jedes Zylinders des Motors verteilt. Das in den Zylinder angesaugte gasförmige Cemisch wird dann in dem Motor 7 verdichtet, durch die Zündkerze 15 gezündet und danach aus einer Auspuffleitung 8 ausgestoßen. Die Auspuffleitung 8 kann mit einem Abgassensor 11 (zum Beispiel einem O&sub2;-Sensor) versehen sein, wobei ein Ausgangssignal dieses Sensors ebenfalls in die Steuereinheit 9 eingegeben wird.Figure 3 shows an embodiment of a system configuration of a control device for an internal combustion engine. Air enters the inlet of an air cleaner 1 and is sucked into a cylinder of an engine 7 through a piping 3, the piping comprising a throttle body 5 with a throttle valve and an intake piping 6. The flow rate of the intake air is detected by, for example, a hot-wire air flow sensor 2 provided in the piping 3, and a signal representing the flow rate is also detected and input to an engine control unit (ECU) 9. Fuel injected from an injector 16 is mixed with the intake air, and the resulting gaseous mixture is supplied to the cylinder of the engine 7. A high voltage generated in an ignition coil 13 is distributed to a spark plug 15 of each cylinder of the engine via a distributor 14. The gaseous mixture sucked into the cylinder is then compressed in the engine 7, ignited by the spark plug 15 and then expelled from an exhaust pipe 8. The exhaust pipe 8 may be provided with an exhaust gas sensor 11 (for example an O₂ sensor), an output signal of this sensor also being input to the control unit 9.

Der Drehzustand des Motors wird durch einen POS- Kurbelwinkelsensor 18 der Kurbelwelle 4 erfaßt, wobei von dem Kurbelwinkelsensor ein POS-Signal (Kurbelwinkel-Positionssignal) ausgegeben wird, und von einem Kurbelwinkel-Bezugssensor 19, von dem ein REF-Signal abgegeben wird, das eine Kurbelwinkel- Bezugsposition anzeigt. Ein Vibrations-Erkennungssensor 17 ist an dem Motor 7 angebracht und ein Ausgangssignal dieses Sensors wird ebenfalls in die Steuereinheit 9 eingegeben. Die Steuereinheit 9 kann die Kraftstoff-Fördergeschwindigkeit und die Zündeinstellung auf der Basis der Signale der vorstehenden und zahlreichen anderen Sensoren (wie etwa der Wassertemperatur) berechnen und ein Steuersignal an jedes Stellglied des Motors abgeben.The rotational state of the engine is detected by a POS crank angle sensor 18 of the crankshaft 4, from which a POS (crank angle position signal) signal is output, and by a crank angle reference sensor 19, from which a REF signal indicative of a crank angle reference position is output. A vibration detection sensor 17 is mounted on the engine 7, and an output signal of this sensor is also input to the control unit 9. The control unit 9 can calculate the fuel feed rate and the ignition timing based on the signals from the above and various other sensors (such as water temperature) and output a control signal to each actuator of the engine.

Die Figur 4(a) zeigt den Aufbau eines Teils der Motorsteuereinheit 9. Diesbezüglich sei erwähnt, daß die Steuereinheit 9 eine CPU 20, einen Analog-Digital-Umsetzer 21, einen ROM-Speicher 22, eine Eingangs-E/A-Einrichtung 23, einen RAM-Speicher 24 und eine Ausgangs-E/A-Einrichtung 25 umfaßt. Das von dem Kurbelwinkelsensor 12 erfaßte REF-Signal und das POS- Signal werden über die Eingangs-E/A-Einrichtung 23 in die CPU 20 eingegeben. Ein Ausgangssignal des Vibrationssensors 17 wird über den Analog-Digital-Umsetzer 21 in die CPU 20 eingegeben. Die CPU 20 kann Berechnungen gemäß einem in dem ROM-Speicher 22 gespeicherten Programm ausführen, und das Ergebnis der Berechnung wird als Zündeinstellungssignal θign von der Ausgangs-E/A- Einrichtung 25 an das entsprechende Stellglied abgegeben. Der Kurbelwinkel, bei dem die Signalaufnahme durch den Vibrationssensor beginnt und der Kurbelwinkelbereich, werden durch den oben beschriebenen Vorgang auf optimale Werte eingestellt und so in dem ROM-Speicher 22 gespeichert, und das Halten der notwendigen Daten wird während der Berechnung von dem RAM-Speicher 24 ausgeführt.Figure 4(a) shows the structure of a part of the engine control unit 9. In this regard, the control unit 9 comprises a CPU 20, an analog-digital converter 21, a ROM 22, an input I/O device 23, a RAM 24 and an output I/O device 25. The REF signal detected by the crank angle sensor 12 and the POS signal are input to the CPU 20 via the input I/O device 23. An output signal of the vibration sensor 17 is input to the CPU 20 via the analog-digital converter 21. The CPU 20 can perform calculations according to a program stored in the ROM 22, and the result of the calculation is output as an ignition timing signal θign from the output I/O device 25 to the corresponding actuator. The crank angle at which the signal acquisition by the vibration sensor starts and the crank angle range are set to optimum values by the above-described process and thus stored in the ROM 22, and the holding of the necessary data during the calculation is carried out by the RAM 24.

Die Funktion der Aufnahme eines Signals von dem Vibrationssensor wird nun in bezug auf den Aufbau der Aufnahmeeinrichtung in Figur 4(b) und das in der Figur 4(c) dargestellte Zeitdiagramm beschrieben. In bezug auf Figur 4(b) dient ein Zähler 30 zur Bestimmung des Kurbelwinkels basierend auf dem ansteigenden Teil des REF-Signals, wobei der Zähler 31 dazu dient, die Veränderung des Kurbelwinkels während der Zeit nach dem Beginn der Aufnahme des Signals zu bestimmen, wobei das Vergleichsregister 32 dazu dient, einen Winkel αfi festzusetzen, bei dem die Aufnahme des Signals beginnt, und wobei das Vergleichsregister 33 dazu dient, den Bereich βfi der Kurbelwinkel gemäß der Zeit der Aufnahme des Signals festzusetzen (die Werte dieser Vergleichsregister 32, 33 werden durch die CPU 20 festgesetzt). Der Vergleicher 34 dient zur Überprüfung eines tatsächlichen Kurbelwinkels, ob dieser einem vorbestimmten Wert X entspricht, und der Vergleicher 35 dient zur Überprüfung der Veränderung des Kurbelwinkels während der Zeit zwischen dem Anfang und dem Ende der Aufnahme eines Signals, und zwar ob das Ausmaß der Veränderung mit einem anderen vorbestimmten Wert Y übereinstimmt. Wenn die oben erwähnte Übereinstimmung in den Vergleichern 34, 35 festgestellt wird, so werden Triggersignale zur Anordnung des Anfangs und des Endes der Analog-Digital-Umsetzung von den Vergleichern an den Analog- Digital-Umsetzer 21 abgegeben. Ein analog-digital umgesetztes Signal wird in die CPU 20 eingegeben. In diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die durch die Zähler, Vergleichsregister, Vergleicher und Analog-Digital-Umsetzer festgelegten Zahlen der zu erfassenden Frequenz.The function of picking up a signal from the vibration sensor will now be described with reference to the construction of the pickup device in Figure 4(b) and the timing chart shown in Figure 4(c). Referring to Figure 4(b), a counter 30 serves to determine the crank angle based on the rising part of the REF signal, the counter 31 serves to determine the change in the crank angle during the time after the start of the signal pickup, the comparison register 32 serves to set an angle αfi at which the signal pickup starts, and the comparison register 33 serves to set the range βfi of the crank angles according to the time of the signal pickup (the values of these comparison registers 32, 33 are set by the CPU 20). The comparator 34 serves to check an actual crank angle whether it corresponds to a predetermined value X, and the comparator 35 serves to check the change in the crank angle during the time between the start and end of the acquisition of a signal, namely whether the amount of the change coincides with another predetermined value Y. When the above-mentioned agreement is detected in the comparators 34, 35, trigger signals for arranging the start and end of the analog-to-digital conversion are output from the comparators to the analog-to-digital converter 21. An analog-to-digital converted signal is input to the CPU 20. In this embodiment, the numbers determined by the counters, comparison registers, comparators and analog-to-digital converters correspond to the frequency to be acquired.

In bezug auf das Zeitdiagramm aus Figur 4(c) wird nun das Verfahren zur Ausführung eines Signalaufnahmevorgangs beschrieben. Der Zähler 30 ist dazu geeignet, das POS-Signal von dem Zeitpunkt der Auslösung des REF-Signals zu zählen. Der Kurbelwinkel αfi, bei dem die Aufnahme des Vibrationssensorsignals beginnt, wird durch die Anzahl der POS-Signale von der Auslösung des Signals bis zum Erreichen des vorbestimmten Wertes X, der von dem Vergleichsregister 32 vorausgesetzt wird, festgesetzt. Wenn der Wert in dem Zähler 30 somit mit dem von dem Vergleichsregister 32 vorausgesetzten vorbestimmten Wert X übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 34 an und die Analog-Digital-Umsetzung beginnt. Der Zähler 31 zählt die POS-Signale von dem Zeitpunkt, von dem das Ausgangssignal des Vergleichers 34 ansteigt. Der Bereich βfi der Kurbelwinkel, der der Zeit entspricht, während welcher das Vibrationssensorsignal aufgenommen wird, wird als die Zahl der POS-Signale festgelegt, beginnend mit dem Anfangszeitpunkt der Analog-Digital-Umsetzung in dem Vergleichsregister 33. Wenn der Wert in dem Zähler 31 den Wert Y erreicht, steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 35 an und die Analog-Digital- Umsetzung endet. Diese Handlungen werden für jede der unterschiedlichen erfaßten Frequenzen ausgeführt.Referring to the timing chart of Figure 4(c), the method for carrying out a signal pickup operation will now be described. The counter 30 is adapted to count the POS signal from the time of triggering the REF signal. The crank angle αfi at which the pickup of the vibration sensor signal begins is determined by the number of POS signals from the triggering of the signal until it reaches the predetermined value X assumed by the comparison register 32. When the value in the counter 30 thus agrees with the predetermined value X assumed by the comparison register 32, an output from the comparator 34 rises and the analog-to-digital conversion begins. The counter 31 counts the POS signals from the time when the output of the comparator 34 rises. The range βfi of the crank angles corresponding to the time during which the vibration sensor signal is received is set as the number of POS signals starting from the start time of the analog-to-digital conversion in the comparison register 33. When the value in the counter 31 reaches the value Y, an output from the comparator 35 rises and the analog-to-digital conversion ends. These actions are carried out for each of the different detected frequencies.

In bezug auf das Flußdiagramm aus Figur 5 wird nun die Berechnung der CPU 20 zur Bestimmung des Auftretens bzw. des Nicht- Auftretens eines Klopfzustands beschrieben.Referring to the flow chart of Figure 5, the calculation of the CPU 20 for determining the occurrence or non-occurrence of a knock condition will now be described.

In dem Schritt 500 werden zuerst die Werte der Kurbelwinkel αf1 - αfn bei denen die Aufnahme der Signale beginnt, und die Bereiche βf1-βfn der Kurbelwinkel, in denen die Signalaufnahme ausgeführt wird, gemäß den erfaßten Frequenzen f&sub1;-fn der Ausgangssignale des Vibrationssensors, die in den Vergleichsregistern X&sub1;-Xn, Y&sub1;-Yn gelesen und festgelegt werden, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren voreingestellt.In step 500, first, the values of the crank angles αf1 - αfn at which the signal sampling starts and the ranges βf1 - βfn of the crank angles in which the signal sampling is carried out are preset according to the detected frequencies f1 - fn of the output signals of the vibration sensor, which are read and set in the comparison registers X1 - Xn, Y1 - Yn, according to the method described above.

In dem Schritt 501 wird ein Signal gemäß dem oben beschriebenen Verfahren innerhalb des in dem Schritt 500 gemäß jeder erfaßten Frequenz festgelegten Bereichs aufgenommen. Die oben erwähnte Signalaufnabme erfolgt in einem vorbestimmten Abtastzyklus (zum Beispiel alle 12 Mikrosekunden).In step 501, a signal is sampled according to the method described above within the range determined in step 500 according to each detected frequency. The above-mentioned signal sampling is performed in a predetermined sampling cycle (for example, every 12 microseconds).

In dem Schritt 502 werden die gemäß jeder erfaßten Frequenz empfangenen Daten einer Frequenzanalyse unterzogen, um die Größe mf1-mfn einer Vibrationskomponente zu bestimmen. Als Frequenzanalyseverfahren können die schnelle Fouriertransformation (FFT) oder die Walsh-Fouriertransformation (WFT, beschrieben von Nobuo Kurihara in 'Keisokujido-gakkai Ronbunshu 18, Nr. 10, Seiten 38-44 (Oktober 1982)'), beide an sich bekannt, verwendet werden.In step 502, the data received according to each detected frequency is subjected to frequency analysis to determine the magnitude mf1-mfn of a vibration component. As the frequency analysis method, the fast Fourier transform (FFT) or the Walsh Fourier transform (WFT, described by Nobuo Kurihara in 'Keisokujido-gakkai Ronbunshu 18, No. 10, pp. 38-44 (October 1982)'), both known per se, can be used.

In dem Schritt 503 werden mf1-mfn, ermittelt in dem Schritt 502. und die vorbestimmten Pegel lfi-lfn, die vorher in bezug auf jede erfaßte Frequenz festgesetzt worden sind, miteinander verglichen, und wenn zum Beispiel einer der Werte von mf1-mfn größer ist als die vorbestimmten Pegel lfi-lfn, so erfolgt eine Entscheidung, daß ein Klopfen auftritt. Wenn eine Entscheidung getroffen wird, daß ein Klopfzustand gegeben ist, so wird die Zündung in bezug auf die normale Zündeinstellung in dem Schritt 504 verzögert.In step 503, mf1-mfn determined in step 502 and the predetermined levels lfi-lfn previously set with respect to each detected frequency are compared with each other, and if, for example, any of the values of mf1-mfn is greater than the predetermined levels lfi-lfn, a decision is made that knocking is occurring. If a decision is made that a knocking condition exists, the ignition is retarded with respect to the normal ignition timing in step 504.

Folgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung bei einer Klopfvorrichtung angewandt, wobei die zu erfassende Frequenz gemäß dem Betriebszustand des Motors verändert wird, der durch die Anzahl der Umdrehungen des Motors je Minute dargestellt ist, um die Signalerfassungsgenauigkeit zu verbessern.Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the invention is applied to a knocking device, wherein the frequency to be detected is changed according to the operating state of the engine, which is represented by the number of revolutions of the engine per minute, in order to improve the signal detection accuracy.

Der Aufbau der Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel gleicht zwar dem Aufbau der Vorrichtung in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, doch unterscheiden sich die beiden Verfahren zur Erkennung eines Klopfzustands.Although the structure of the device in this embodiment is similar to the structure of the device in the embodiment described above, the two methods for detecting a knocking condition differ.

Eine zu erkennende Frequenz wird abhängig von der Anzahl der Umdrehungen je Minute des Motors in bezug auf die folgende Tabelle 1 verändert, und der Kurbelwinkelbereich, in dem die Aufnahme eines Signals ausgeführt wird, wird abhängig von der geänderten zu erkennenden Frequenz verändert. Tabelle 1 Anzahl der Motor-Umdrehungen je Minute (U/min.) Zu erfass. Frequenz Kurbelwink., bei d. die Aufnahme d. Sign. beginnt Kurbelwinkel bereich d. Sign.aufn.A frequency to be detected is changed depending on the number of revolutions per minute of the engine in relation to the following Table 1, and the crank angle range in which the Recording of a signal is performed is changed depending on the changed frequency to be detected. Table 1 Number of engine revolutions per minute (rpm) Frequency to be recorded Crank angle at which signal recording begins Crank angle range for signal recording

Die in der CPU 20 ausgeführte Berechnung zur Entscheidung, ob ein Klopfen auftritt oder nicht, wird nun in bezug auf das Flußdiagramm in Figur 6 beschrieben.The calculation carried out in the CPU 20 to decide whether knocking occurs or not will now be described with reference to the flow chart in Figure 6.

In dem Schritt 600 dieses Flußdiagramms wird eine der vorbestimmten zu erfassenden Frequenzen gemäß der Anzahl der Motorumdrehungen je Minute ausgewählt. In dem Schritt 601 werden ein Kurbelwinkel α, bei dem die Aufnahme eines Signals beginnt, und ein Bereich von Kurbelwinkeln β, in dem die Aufnahme des Signals ausgeführt wird, in einem Register festgesetzt, wobei sowohl α als auch β für die bestimmte zu erfassende Frequenz, die in dem Schritt 600 ausgewählt worden ist, voreingestellt sind. In dem Schritt 603 wird eine Frequenzanalyse in bezug auf die in dem Schritt 602 festgesetzte zu erfassende Frequenz durch FFT oder WFT ausgeführt, um die Größe m einer Vibrationskomponente zu bestimmen. In dem Schritt 604 wird m mit einem vorbestimmten Pegel l verglichen, und wenn m größer ist als l, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfen auftritt. Wenn eine Entscheidung erfolgt, daß ein Klopfen auftritt, so wird die Zündung in dem Schritt 605 verzögert.In step 600 of this flow chart, one of the predetermined frequencies to be detected is selected according to the number of engine revolutions per minute. In step 601, a crank angle α at which the acquisition of a signal starts and a range of crank angles β in which the acquisition of the signal is carried out are set in a register, both α and β being preset for the particular frequency to be detected selected in step 600. In step 603, a frequency analysis is carried out with respect to the frequency to be detected set in step 602 by FFT or WFT to determine the magnitude m of a vibration component. In step 604, m is compared with a predetermined level l, and if m is larger than l, a decision is made that knocking occurs. If a decision If knocking occurs, the ignition is delayed in step 605.

Folgend wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Systemkonfiguration dieses Ausführungsbeispiels entspricht der Konfiguration des Ausführungsbeispiels aus Figur 3. Der Aufbau einer Steuereinheit 9 in dem dritten Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 7(a), 7(b) dargestellt. In Figur 7(a) ist ein Bandpaßfilter 40 zur Abtrennung einer Vibrationskomponente der Eigenfrequenz des Klopfens von einem Ausgangssignal des Vibrationssensors (nicht abgebildet) vorgesehen. Ferner vorgesehen ist ein Integrator 41 zur Ausführung einer Integration des Ausgangssignals von dem Bandpaßfilter 40 innerhalb eines vorbestimmten Kurbelwinkelbereichs. Die Anzahl der Bandpaßfilter 40, der Integratoren 41 und der Analog-Digital-Umsetzer 21 entspricht der Anzahl der bestimmten zu erfassenden Frequenzen.A further embodiment of the present invention will now be described. The system configuration of this embodiment corresponds to the configuration of the embodiment of Figure 3. The structure of a control unit 9 in the third embodiment is shown in Figures 7(a), 7(b). In Figure 7(a), a bandpass filter 40 is provided for separating a vibration component of the natural frequency of the knocking from an output signal of the vibration sensor (not shown). An integrator 41 is also provided for executing an integration of the output signal from the bandpass filter 40 within a predetermined crank angle range. The number of bandpass filters 40, integrators 41 and analog-digital converters 21 corresponds to the number of specific frequencies to be detected.

Ein Vorgang zur Aufnahme eines Signals von einem Vibrationssensor wird in bezug auf die in der Figur 7(b) dargestellte Hardwaregestaltung und auf die Impulsübersicht der Figur 8 beschrieben. In bezug auf Figur 7(b) bestimmt der Zähler 30 basierend auf der Anstiegsflanke des REF-Signals einen Kurbelwinkel, wobei der Zähler 31 die nach dem Beginn der Aufnahme des Signals auftretende Veränderung des Kurbelwinkels bestimmt. Das Vergleichsregister 32 stellt den Winkel αfi ein, bei dem die Aufnahme des Signals ausgeführt wird. Der Wert in dem Vergleichsregister 32 ist X und der Wert in dem Register 33 ist Y, wobei beide Werte durch die CPU 20 festgelegt werden. Der Vergleicher 34 dient zur Überprüfung eines tatsächlichen Kurbelwinkels, und zwar ob der Wert dieses Winkels mit dem Wert in dem Vergleichsregister 32 übereinstimmt, und wobei der Vergleicher 35 die Veränderung des Kurbelwinkels darauf überprüft, ob der Wert der Veränderung mit dem Wert in dem Vergleichsregister 33 übereinstimmt.A process for picking up a signal from a vibration sensor will be described with reference to the hardware configuration shown in Figure 7(b) and the timing chart of Figure 8. Referring to Figure 7(b), the counter 30 determines a crank angle based on the rising edge of the REF signal, and the counter 31 determines the change in the crank angle occurring after the start of the signal picking up. The comparison register 32 sets the angle αfi at which the signal picking up is carried out. The value in the comparison register 32 is X and the value in the register 33 is Y, both values being set by the CPU 20. The comparator 34 is for checking an actual crank angle, namely whether the value of this angle agrees with the value in the comparison register 32, and the comparator 35 determines the change in the crank angle thereon. checks whether the value of the change matches the value in the comparison register 33.

In bezug auf die Impulsübersicht aus Figur 8 wird der Anstieg eines POS-Signals in dem Zähler 30 gezählt um den tatsächlichen Kurbelwinkel zu bestimmen. Wenn der erzielte Kurbelwinkel mit dem Wert X in dem Vergleichsregister 32 übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal des Vergleichers 34 an und eine Integrationsoperation des Integrators 41 für eine Vibrationskomponente einer Ausgabe des Vibrationssensors beginnt, wobei die Vibrationskomponente durch den Bandpaßfilter 40 erhalten wird. Wenn der Wert in dem Zähler 31 mit dem Wert Y in dem Vergleichsregister 33 übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 35 an und ein Ausgangssignal des Integrators wird dann einer Analog-Digital-Umsetzung unterzogen. Diese Operationen werden für jede Frequenz in bezug auf die Vibrationskomponente ausgeführt. Die obengenannten Operationen ermöglichen die Bestimmung des Pegels der Vibrationskomponente in dem voreingestellten Kurbelwinkelbereich.Referring to the timing chart of Figure 8, the rise of a POS signal is counted in the counter 30 to determine the actual crank angle. When the obtained crank angle agrees with the value X in the comparison register 32, an output of the comparator 34 rises and an integration operation of the integrator 41 for a vibration component of an output of the vibration sensor, the vibration component being obtained by the band pass filter 40, starts. When the value in the counter 31 agrees with the value Y in the comparison register 33, an output from the comparator 35 rises and an output of the integrator is then subjected to analog-to-digital conversion. These operations are carried out for each frequency with respect to the vibration component. The above operations enable the level of the vibration component to be determined in the preset crank angle range.

Die obengenannte Berechnung, die in der CPU 20 ausgeführt wird, um zu entscheiden, ob ein Klopfen auftritt, wird nun in bezug auf das Flußdiagramm in Figur 9 beschrieben.The above calculation carried out in the CPU 20 to decide whether knocking occurs will now be described with reference to the flow chart in Figure 9.

Zuerst werden in dem Schritt 900 die Kurbelwinkel αf1-αfn, bei denen die Integration jeder erkannten Frequenz beginnt, und die Bereiche βf1-βfn der Kurbelwinkel, in denen diese Integration ausgeführt wird, gelesen und in den Vergleichsregistern X&sub1;-Xn festgelegt. Diese Werte werden vorher festgelegt, wie dies oben beschrieben worden ist.First, in step 900, the crank angles αf1-αfn at which the integration of each detected frequency starts and the ranges βf1-βfn of the crank angles in which this integration is carried out are read and set in the comparison registers X1-Xn. These values are set in advance as described above.

In dem Integrator in der Steuereinheit 9 wird die Integration jeder erkannten Frequenz innerhalb des Kurbelwinkelbereichs ausgeführt, der in dem Schritt 900 festgelegt worden ist. In dem Schritt 9θ&sub1; werden die Ergebnisse Sf1-Sfn der Integration der erfaßten Frequenzen f&sub1;-fn ausgelesen.In the integrator in the control unit 9, the integration of each detected frequency is carried out within the crank angle range which has been determined in step 900. In the In step 9θ1, the results Sf1-Sfn of the integration of the detected frequencies f1-fn are read out.

In dem Schritt 902 werden Sf1-Sfn mit den Pegeln lf1-lfn verglichen, die in bezug auf die erfaßten Frequenzen voreingestellt sind, und wenn in bezug auf eine vorbestimmte Frequenz zum Beispiel Sfi > lfi gilt, mit i=1-n für f&sub1;, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfzustand gegeben ist. Wenn in diesem Schritt eine Entscheidung erfolgt, daß ein Klopfen auftritt, so wird die Zündeinstellung in dem Schritt 903 verzögert.In step 902, Sf1-Sfn are compared with the levels lf1-lfn preset with respect to the detected frequencies, and if, with respect to a predetermined frequency, for example, Sfi > lfi, with i=1-n for f1, a decision is made that a knocking condition exists. If a decision is made in this step that knocking is occurring, the ignition timing is retarded in step 903.

Wie dies bereits oben erwähnt worden ist, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Entscheidung bezüglich dem Auftreten des Klopfens durch Verwendung der Ergebnisse der Integration einer Vibrationskomponente in dem Bereich der Kurbelwinkel, wobei die Klopfeigenschaften am deutlichsten in bezug auf jede erfaßte Frequenz auftreten. Demgemäß wird die Genauigkeit der Klopferkennung verbessert.As mentioned above, in this embodiment, a decision regarding the occurrence of knocking is made by using the results of integration of a vibration component in the range of crank angles where the knocking characteristics are most conspicuous with respect to each detected frequency. Accordingly, the accuracy of the knocking detection is improved.

In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Entscheidung bezüglich dem Auftreten des Klopfens unter Verwendung einer Mehrzahl zur erkennender Frequenzen. Neben diesen Techniken können auch die Techniken zur Veränderung der zu erkennenden Frequenz, gemäß einer Veränderung des Betriebszustands des Motors, und die Veränderung des Kurbelwinkelbereichs, in dem die Integration gemäß der resultierenden zu erkennenden Frequenz ausgeführt wird, verwendet werden.In this embodiment, a decision regarding the occurrence of knocking is made using a plurality of frequencies to be detected. In addition to these techniques, the techniques of changing the frequency to be detected according to a change in the operating state of the engine and changing the crank angle range in which the integration is carried out according to the resultant frequency to be detected may also be used.

In bezug auf Figur 10 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.With reference to Figure 10, a further embodiment of the present invention will now be described.

Die in der Figur 10 dargestellte Brennkraftmaschine wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens angewandt und entspricht dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3, mit der Ausnahme, daß hier auch verschiedene Sensoren abgebildet sind, wie etwa ein Geschwindigkeitssensor 121, ein Wassertemperatursensor 106 und ein Drosselventilöffnungssensor 105. Die Signale der verschiedenen Sensoren werden analysiert, um eine geeignete Kraftstoffeinspritzmenge und eine passende Zündeinstellung für den Betrieb des Motors zu ermitteln. Folglich wird das Ergebnis der Analyse von der E/A-Einrichtung 23 ausgegeben, um die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 und die Zündspule 13 zu betreiben.The internal combustion engine shown in Figure 10 is used with the device according to the invention for detecting knocking and corresponds to the embodiment of Figure 3, with except that various sensors are also shown, such as a speed sensor 121, a water temperature sensor 106, and a throttle valve opening sensor 105. The signals from the various sensors are analyzed to determine an appropriate fuel injection amount and an appropriate ignition timing for operating the engine. Consequently, the result of the analysis is output from the I/O device 23 to operate the fuel injector 16 and the ignition coil 13.

Der Wassertemperatursensor 106 mißt die Temperatur Tw des Kühlwassers für den Motor, und das Ergebnis wird dazu verwendet, die Motorsteuerung auszugleichen.The water temperature sensor 106 measures the temperature Tw of the cooling water for the engine, and the result is used to compensate the engine control.

Die CPU 20 teilt den Ansaugluftstrom durch die Anzahl der Motorumdrehungen und addiert einen Berichtigungsfaktor, der etwa durch die Wassertemperatur bestimmt wird, zu dem Ergebnis, um die Einspritzmenge zu berechnen.The CPU 20 divides the intake air flow by the number of engine revolutions and adds a correction factor, which is determined by the water temperature, to the result in order to calculate the injection quantity.

Der Grundwert der Zündeinstellung ist durch die Einspritzmenge und die Anzahl der Motorumdrehungen spezifiziert und er wird gemäß den Zuständen der Wassertemperatur und der Anzahl der Motorumdrehungen berichtigt.The basic value of the ignition timing is specified by the injection quantity and the number of engine revolutions, and it is corrected according to the conditions of the water temperature and the number of engine revolutions.

Der Klopfsensor 17 ist an dem Zylinderblock des Motors angebracht, um die Vibration beim Auftreten eines Klopfens zu erkennen und um das Vibrationssignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das die Vibration darstellt.The knock sensor 17 is mounted on the cylinder block of the engine to detect the vibration when knocking occurs and to convert the vibration signal into an electrical signal representing the vibration.

Bei dem Klopfsensor kann es sich alternativ um einen Zylinderinnendrucksensor 117 handeln, der an der Verbrennungskammer zwischen der Zündkerze 15 und dem Motor angebracht ist, um eine Veränderung es Drucks in dem Zylinder festzustellen und um den Druck in ein Signal umzusetzen, das den Klopfzustand darstellt.The knock sensor may alternatively be an in-cylinder pressure sensor 117 mounted on the combustion chamber between the spark plug 15 and the engine to detect a change in pressure in the cylinder and to convert the pressure into a signal representing the knock condition.

Die Motorsteuereinheit 9 weist einen Zeitgeber 102 auf, der dazu vorgesehen ist, die Gesamtbetriebszeit des Motors anzugeben. Ein Rad des Kraftfahrzeugs ist mit einem Geschwindigkeitssensor 121 versehen, so daß ein Ceschwindigkeitssignal VSP des Ceschwindigkeitssensors 121 in der Steuereinheit 9 von dem Zähler 103 gezählt werden kann, um die Gesamtstrecke zu ermitteln, welche das Kraftfahrzeug zurückgelegt hat.The engine control unit 9 has a timer 102 which is intended to indicate the total operating time of the engine. A wheel of the motor vehicle is provided with a speed sensor 121 so that a speed signal VSP of the speed sensor 121 in the control unit 9 can be counted by the counter 103 in order to determine the total distance which the motor vehicle has traveled.

Die Gesamtbetriebszeit und die Gesamtstrecke werden in einem nicht flüchtigen ROM-Speicher (nicht einzeln abgebildet) gehalten, und es ist eine eingebaute Reservebatterie 107 vorgesehen, so daß die Motorsteuereinheit 9 die Motor- und Fahrzeugdaten auch dann halten kann, wenn der Hauptbatterie (nicht abgebildet) die Stromzufuhr abgeschaltet wird.The total operating time and the total distance are held in a non-volatile ROM memory (not shown separately), and a built-in backup battery 107 is provided so that the engine control unit 9 can hold the engine and vehicle data even when the power supply to the main battery (not shown) is cut off.

Folgend wird die Klopferkennung in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.The knock detection in this embodiment is described below.

Wenn der Modus bezüglich dem Durchmesser eines Zylinders des Motors 7 n ist und der Modus bezüglich des Umfangs des Motorzylinders m ist, so weist weist die Vibration des Motors während der Verbrennung eine Frequenz pnm und eine entsprechende Eigenfrequenz fnm auf. Zum Beispiel ergaben sich bei einem in einem Versuch verwendeten Motor die in der Figur 11(a) dargestellten Werte bezüglich der Vibrationsfrequenz und der Eigenfrequenz.If the mode with respect to the diameter of a cylinder of the engine 7 is n and the mode with respect to the circumference of the engine cylinder is m, the vibration of the engine during combustion has a frequency pnm and a corresponding natural frequency fnm. For example, an engine used in an experiment had the values of vibration frequency and natural frequency shown in Figure 11(a).

Es wird nun davon ausgegangen, daß der an dem Zylinderblock des Motors angebrachte Klopfsensor 17 eine Frequenzcharakteristik aufweist, die alle obengenannten Frequenzen umfaßt, die für das Auftreten des Klopfens typisch und gleichmäßig empfindlich sind.It is now assumed that the knock sensor 17 attached to the cylinder block of the engine has a frequency characteristic that includes all of the above-mentioned frequencies that are typical for the occurrence of knocking and are equally sensitive.

Eine Analyse eines Klopfsignals ergibt eine Verteilung gemäß der Darstellung in Figur 11(b).An analysis of a knock signal results in a distribution as shown in Figure 11(b).

Wenn folglich vorher bekannt ist, daß die Frequenzcharakteristik des Sensors nicht flach ist, so kann die Frequenzcharakteristik bzw. der Frequenzverlauf dadurch flach gestaltet werden, daß der Vorverstärker, der nachstehend beschrieben wird, mit einer Charakteristik versehen wird, die eine Umkehrung der bekannten Frequenzcharakteristik darstellt.Consequently, if it is known in advance that the frequency characteristic of the sensor is not flat, the frequency characteristic or the frequency response can be made flat by providing the preamplifier, which is described below, with a characteristic which is an inversion of the known frequency characteristic.

In bezug auf Figur 12 wird nun die Verarbeitung der Klopfsignale beschrieben.With reference to Figure 12, the processing of the knock signals is now described.

Ein Klopfsignals wird durch einen Vorverstärker 120 verstärkt. Wie dies bereits oben angeführt worden ist, wird die Frequenzcharakteristik der Sensorausgabe durch einen Ausgleicher 121 umgekehrt verändert und durch einen Tiefpaßfilter 122 gefiltert sowie durch einen Regelverstärker 123 so verstärkt, daß sie sich in dem Spannungseingangsbereich eines Analog-Digital- Umsetzers 124 befindet. Die Höhe der Verstärkung durch den Regelverstärker 123 ist gemäß dem Pegel eines Eingangssignals oder der Anzahl der Motorumdrehungen als Folge auf Befehle von einer E/A-Vorrichtung 23 veränderbar. Die Höhe der Verstärkung ist jedoch während der Klopferkennungsdauer für die Klopfsignalfrequenzanalyse konstant.A knock signal is amplified by a preamplifier 120. As already mentioned above, the frequency characteristic of the sensor output is reversely varied by an equalizer 121 and filtered by a low-pass filter 122 and amplified by a variable gain amplifier 123 to be within the voltage input range of an analog-to-digital converter 124. The amount of gain by the variable gain amplifier 123 is variable according to the level of an input signal or the number of engine revolutions in response to commands from an I/O device 23. However, the amount of gain is constant during the knock detection period for the knock signal frequency analysis.

Die Klopferkennungs-Abtastdauer 2n für die Klopfsignalfrequenzanalyse arbeitet bei einem vorbestimmten Winkel (Zeit) θoffen (Figur 13(c)) nach dem oberen Totpunkt, bei dem die Tendenz zum Auftreten eines Klopfzustands vorhanden ist. Dieser Winkel θoffen kann dadurch gefunden werden, daß die Anstiegsflanke des Bezugssignals REF (Figur 13(b)) als Null spezifiziert wird und daß das Positionssignal POS (Figur 13(a)) gemäß der Darstellung in Figur 13(c) gezählt wird.The knock detection sampling period 2n for the knock signal frequency analysis operates at a predetermined angle (time) θopen (Figure 13(c)) after top dead center at which a knocking condition tends to occur. This angle θopen can be found by specifying the rising edge of the reference signal REF (Figure 13(b)) as zero and counting the position signal POS (Figure 13(a)) as shown in Figure 13(c).

Wenn das Zählergebnis mit dem Winkel θoffen zusammenfällt, so wird die CPU für eine Analog-Digital-Umsetzungs- Beendigungsunterbrechung freigegeben, Figur 13(d), wodurch die Verarbeitung durch den in der Figur 12 dargestellten Analog- Digital-Umsetzer 124 beginnt.If the counting result coincides with the angle θopen, the CPU is used for an analog-to-digital conversion Termination interrupt is enabled, Figure 13(d), whereby processing by the analog-to-digital converter 124 shown in Figure 12 begins.

Diese Analog-Digital-Umsetzung wird gemäß der Darstellung in Figur 13(d) mit vorbestimmten Datenzyklen ausgeführt, die jeweils die Dauer τ aufweisen. Wenn die Analog-Digital-Umsetzung endet, erfolgt eine Unterbrechung an den Mikrocomputer, und während der Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung werden konvertierte Signale sequentiell an den RAM-Speicher 13 übermittelt.This analog-to-digital conversion is carried out as shown in Figure 13(d) with predetermined data cycles each having the duration τ. When the analog-to-digital conversion ends, an interrupt is given to the microcomputer, and during the analog-to-digital conversion completion interrupt, converted signals are sequentially transmitted to the RAM 13.

Hier wurde der Zyklus τ dieser Analog-Digital-Umsetzung vorher festgelegt, so daß dessen Umkehrwert eine Frequenz darstellen kann, die doppelt oder mehrmals so hoch wie die höchste zu analysierende Frequenz sein kann.Here, the cycle τ of this analog-to-digital conversion has been previously determined so that its inverse value can represent a frequency that can be twice or more times higher than the highest frequency to be analyzed.

Der Tiefpaßfilter 122 sieht für die Frequenz fcut, die höher ist als 1/(2τ), eine ausreichende Dämpfung vor.The low-pass filter 122 provides sufficient attenuation for the frequency fcut which is higher than 1/(2τ).

Wenn die Anzahl der Daten, die sich aus der Analog-Digital- Umsetzung ergibt, zum Zeitpunkt to, der in Figur 13(f) dargestellt ist, zum Beispiel 2n darstellt, so endet die Analog- Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung. Zu diesem Zeitpunkt to wird ein Frequenzanalysemerker eingeschaltet und die Frequenzanalyse beginnt.When the number of data resulting from the analog-to-digital conversion is, for example, 2n at the time to shown in Figure 13(f), the analog-to-digital conversion completion interrupt ends. At this time to, a frequency analysis flag is turned on and the frequency analysis starts.

Die Frequenzanalyse wird dadurch ausgeführt, daß Abtastdaten (Block A) aus dem RAM 24 entnommen werden und daß eine schnelle Fouriertransformation 125 und eine Schmetterlingsberechnung ausgeführt werden (bezüglich dieses Verfahrens wird auf das Lehrbuch 'FFT Katsuyo Manyuaru,' von Kito, Nippon Noritsu Kyokai, vom 30. Oktober 1985, verwiesen), um die Daten B zu ermitteln, die insgesamt 2n ausmachen und die Amplitude der unterschiedlichen Abtastfrequenzen darstellen, und zwar jeweils von den Abtastdaten A, die insgesamt 2n ergeben.The frequency analysis is carried out by taking sample data (block A) from the RAM 24 and performing a fast Fourier transform 125 and a butterfly calculation (for this procedure, refer to the textbook 'FFT Katsuyo Manyuaru,' by Kito, Nippon Noritsu Kyokai, dated October 30, 1985) to obtain the data B which total 2n and represent the amplitude of the different sampling frequencies, each from the sample data A, which total 2n.

Dann werden aus diesen 2n Frequenzen die Spektralabschnitte So bis Sk gemäß den Frequenzen fo bis fk, die insgesamt k (k > 1) ergeben, die durch Probieren vorbestimmt werden, in dem Block C als die Daten So bis Sk ermittelt. Bei den Daten C handelt es sich um Tongüteindizes gemäß dem Klopfen.Then, from these 2n frequencies, the spectral sections So to Sk according to the frequencies fo to fk, which result in a total of k (k > 1) predetermined by sampling, are determined in the block C as the data So to Sk. The data C are tone quality indices according to the knocking.

Die Spektralabschnitte So und Sk werden in dem Block 126 mit den Bewertungsfaktoren W&sub1; bis Wk multipliziert, so daß die Klopfsignalintensität I ermittelt wird.The spectral sections So and Sk are multiplied in block 126 by the weighting factors W₁ to Wk so that the knock signal intensity I is determined.

In dem Vergleicher 127 wird die Signalintensität I mit einer Bezugsintensität Io verglichen, bei der es sich um eine Intenstität wt der Zeit handelt, daß kein Klopfen auftritt, und wenn der erste Wert höher ist als der zweite, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfen aufgetreten ist.In the comparator 127, the signal intensity I is compared with a reference intensity Io, which is an intensity wt of the time that no knocking occurs, and if the first value is higher than the second, the decision is made that knocking has occurred.

Wenn diese Entscheidung erfolgt, wird ein Klopfauftrittsmerker gesetzt, wie dies in Figur 13(g) dargestellt ist und die Zündeinstellung wird um einen vorbestimmten Winkel θref (Figur 13(h)) verzögert und dann wird die Taktung nach einem spezifizierten Intervall Tadv allmählich um +1º Schritte wiederhergestellt, wie dies in dem bekannten Verfahren zur Zündeinstellungsregelung der Fall ist.When this decision is made, a knock occurrence flag is set as shown in Figure 13(g) and the ignition timing is retarded by a predetermined angle θref (Figure 13(h)) and then the timing is gradually restored by +1° steps after a specified interval Tadv as in the known ignition timing control method.

Folgend wird in bezug auf die Figuren 14(a) bis 14(e) eine Mikrocomputerverarbeitung beschrieben, die für den obengenannten Vorgang erforderlich ist.Next, a microcomputer processing required for the above-mentioned operation will be described with reference to Figures 14(a) to 14(e).

Als erstes wird der in der Figur 14(a) dargestellte Vorgang als Folge auf die Anstiegsflanke des Bezugssignals zur Identifizierung eines Zylinders ausgeführt, und der vorbestimmte Winkel θoffen wird vorgesehen.First, the process shown in Figure 14(a) is performed as a result of the rising edge of the reference signal to Identification of a cylinder is performed, and the predetermined angle θopen is provided.

Während dem obigen Vorgang, wenn der Winkel θoffen durch Zählen des Positionssignals gefunden wird, wird eine Winkelunterbrechung verursacht, um den in der Figur 14(b) dargestellten Vorgang zu starten. Während der Winkelunterbrechung wird die CPU für eine Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung freigegeben und ein Abtastzähler wird nur auf Nuller initialisiert, wobei ein Abtastdatenspeicherzeiger auf die vordere Adresse in dem Speicherbereich gesetzt wird.During the above process, when the angle θ open is found by counting the position signal, an angle interrupt is caused to start the process shown in Figure 14(b). During the angle interrupt, the CPU is enabled for an analog-to-digital conversion completion interrupt and a sample counter is initialized to zero only, setting a sample data memory pointer to the front address in the memory area.

Diese Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung startet den in der Figur 14(c) dargestellten Vorgang. Während diesem Vorgang wird das Ergebnis der Analog-Digital-Umsetzung in eine Adresse eingegeben, auf die der Abtastdatenspeicherzähler zeigt, so daß der Zähler und der Abtastdatenzähler (in den Schritten 1400) erhöht wird. Wenn der Abtastzähler 2n erreicht, so endet die Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung und ein Frequenzanalysemerker wird eingeschaltet (in dem Schritt 1401).This analog-to-digital conversion completion interrupt starts the process shown in Figure 14(c). During this process, the result of the analog-to-digital conversion is input to an address pointed to by the sample data storage counter, so that the counter and the sample data counter are incremented (in steps 1400). When the sample counter reaches 2n, the analog-to-digital conversion completion interrupt ends and a frequency analysis flag is turned on (in step 1401).

Andererseits ist der in der Figur 14(d) dargestellte Vorgang mit einer Zeitgeberaufgabe versehen, die in einem vorbestimmten Zyklus aktiviert wird. Während diesem Vorgang wird ein Frequenzanalysemerker geprüft, und wenn der Frequenzanalysemerker eingeschaltet wird, wird eine schnelle Fouriertransformations- Unterroutine aktiviert (in Schritt 1402).On the other hand, the process shown in Figure 14(d) is provided with a timer task which is activated at a predetermined cycle. During this process, a frequency analysis flag is checked, and when the frequency analysis flag is turned on, a fast Fourier transform subroutine is activated (in step 1402).

Nach Beendigung der schnellen Fouriertransformation wird in dem Schritt 1403 der Vorgang zur Ermittlung der Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk gemäß den Frequenzen f&sub1; bis fk ausgeführt.After completion of the fast Fourier transform, the process for determining the spectral sections S₁ to Sk according to the frequencies f₁ to fk is carried out in step 1403.

Jetzt verändern sich für das Auftreten des Klopfens typische Frequenzen geringfügig aufgrund der Anzahl der Motorumdrehungen und der Zündeinstellung, und die Frequenzen ändern sich auch durch andere Faktoren, wie etwa die Kolbenposition beim Auftreten des Klopfens, da es bei den gegebenen Werten der Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk unmöglich ist, das Auftreten eines Klopfens genau zu bestimmen.Now the frequencies typical for the occurrence of knocking change slightly due to the number of engine revolutions and the ignition timing, and the frequencies also vary due to other factors such as the piston position at the occurrence of knocking, since it is impossible to accurately determine the occurrence of knocking with the given values of the spectral sections S₁ to Sk.

Wie dies in Figur 15 dargestellt ist, werden innerhalb des Bereichs, der Δf&sub1; bis Δfk entspricht, Spitzen der spektralen Abschnitte um die bestimmten Frequenzen f&sub1; bis fk ermittelt, und die Spitzen werden an Stelle einzelner Frequenzen der Frequenzen f&sub1; bis fk verwendet.As shown in Figure 15, within the range corresponding to Δf₁ to Δfk, peaks of the spectral sections around the specific frequencies f₁ to fk are detected, and the peaks are used in place of individual frequencies of the frequencies f₁ to fk.

Hiermit wird festgestellt, daß alternativ der Durchschnitt der Abtastwerte in jedem Spektralabschnitt innerhalb des Bereichs gemäß Δf um die bestimmten Frequenzen verwendet werden kann.It is noted that alternatively the average of the samples in each spectral section within the range according to Δf around the particular frequencies may be used.

Ferner wird hiermit festgestellt, daß die Spitzenfrequenz in einem Spektralabschnitt Δf als Mittenfrequenz für den nächsten Zündvorgang verwendet werden kann.It is further established that the peak frequency in a spectral section Δf can be used as the center frequency for the next ignition process.

Die auf die oben beschriebene Art und Weise ermittelten Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk werden mit den Bewertungskoeffizienten W&sub1; bis Wk multipliziert, welche abnehmen, wenn der Rauschabstand zunimmt, um die Klopfintensität I zu ermitteln (in Schritt 1404), und diese Intensität I wird in dem Schritt 1405 mit der Bezugsintensität Io verglichen.The spectral sections S1 to Sk determined in the manner described above are multiplied by the weighting coefficients W1 to Wk which decrease as the signal-to-noise ratio increases to determine the knock intensity I (in step 1404), and this intensity I is compared with the reference intensity Io in step 1405.

Wenn die Klopfintensität größer ist als die Bezugsintensität, wird ein Klopfauftrittsmerker eingeschaltet (in Schritt 1406).If the knock intensity is greater than the reference intensity, a knock occurrence flag is turned on (in step 1406).

Die Figur 14(e) zeigt die Berechnung für die Zündeinstellung. Wenn ein Klopfauftrittsmerker gemäß obiger Beschreibung eingeschaltet wird, wird die Zündeinstellung um den Winkel θref verzögert und ein Zündeinstellungs-Speicherzeitgeber wird auf das Intervall Tadv gesetzt (in Schritt 1407).Figure 14(e) shows the calculation for the ignition timing. When a knock occurrence flag is turned on as described above, the ignition timing is adjusted by the angle θref delayed and an ignition timing storage timer is set to the interval Tadv (in step 1407).

Das Intervall Tadv wird von jedem Zeitpunkt abgezogen, wenn der Zyklus für die Zeitgeberaufgabe beendet ist. Wenn das Intervall Tadv Null erreicht, so wird der Winkel θref von Eins abgezogen. Wenn der Winkel θref als Ergebnis daraus nicht Null wird, so wird das Intervall Tadv erneut festgesetzt. Während diesem Vorgang wird die Zündeinstellung jedesmal verzögert, wenn ein Klopfen auftritt, was dazu führt, daß die Klopfregelung verwirklicht werden kann (Schritt 1408).The interval Tadv is subtracted from each time point when the cycle for the timer task is completed. When the interval Tadv reaches zero, the angle θref is subtracted from one. If the angle θref does not become zero as a result, the interval Tadv is set again. During this process, the ignition timing is retarded each time knocking occurs, resulting in the knock control being able to be realized (step 1408).

Jetzt unterliegen die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk zur Erkennung des Klopfens der Altersverschlechterung des Motors, wie dies in Figur 16 dargestellt ist.Now, the individual frequencies f1 to fk for detecting knock are subject to the deterioration of the engine as shown in Figure 16.

In Anbetracht dieser Tatsache umfaßt dieses Ausführungsbeispiel, wie dies in bezug auf Figur 10 beschrieben ist, den Zeitgeber 102 und den Ceschwindigkeitssensor 121 zur Ermittlung der Gesamtbetriebszeit des Motors und der Gesamtstrecke, die das Fahrzeug zurückgelegt hat. Durch die eingebaute Batterie 107 werden die Gesamtbetriebszeit und die zurückgelegte Gesamtstrecke auch dann gespeichert gehalten, wenn die Stromzufuhr zu der Motorsteuereinheit 9 abgeschaltet wird.In view of this fact, this embodiment, as described with reference to Figure 10, includes the timer 102 and the speed sensor 121 for determining the total operating time of the engine and the total distance traveled by the vehicle. The built-in battery 107 keeps the total operating time and the total distance traveled stored even when the power supply to the engine control unit 9 is turned off.

Durch die Messung der Gesamtbetriebszeit und der Gesamtstrecke, werden die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk für die Erkennung des Klopfzustands so modifiziert, daß diese Altersverschlechterung ausgeglichen wird, welche die in der Figur 16 dargestellten Eigenschaften aufweist, wodurch die Erkennung des Klopfzustands mit höherer Genauigkeit bestimmt wird.By measuring the total operating time and the total distance, the individual frequencies f₁ to fk for the detection of the knock condition are modified so as to compensate for this age deterioration, which has the characteristics shown in Figure 16, thereby determining the detection of the knock condition with higher accuracy.

In diesem Ausführungsbeispiel wurde zwar wiederum die schnelle Fouriertransformation zur Frequenzanalyse verwendet, doch kann auch ein anderes Frequenzanalyseverfahren, wie etwa die an sich bekannte WHT-Transformation verwendet werden. Bei der WHT- Transformation können die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk ohne Verwendung der 2n Spektren ermittelt werden, wodurch die Berechnungszeit verkürzt werden kann.In this example, the fast Fourier transform was again used for frequency analysis, but Another frequency analysis method, such as the well-known WHT transformation, can also be used. With the WHT transformation, the individual frequencies f₁ to fk can be determined without using the 2n spectra, which can shorten the calculation time.

Es kann aber auch eine andere Frequenzanalyse verwendet werden, wie etwa ein Verfahren zur Verwendung eines digitalen Bandpaßfilters für vorbestimmte Frequenzen f&sub1; bis fk und dadurch kann jeder Koeffizient in der Z-Transformation geringfügig verändert werden, so daß die Mittenfrequenz in der Bandpaßbreite geändert wird.However, another frequency analysis may be used, such as a method of using a digital bandpass filter for predetermined frequencies f1 to fk and thereby each coefficient in the Z-transform can be slightly changed so that the center frequency in the bandpass width is changed.

Aus obiger Erklärung wird deutlich, daß der Kurbelwinkelbereich, in dem ein Signal aufgenommen wird, in der vorliegenden Erfindung gemäß der zu erfassenden Frequenz verändert wird, so daß das Auftreten bzw. das Nicht-Auftreten eines Klopfens in einem Kurbelwinkelbereich bestimmt werden kann, in dem eine Vibrationskomponente der verwendeten Frequenz sehr kennzeichnend erscheint. Demgemäß ist das Fenster, in dem die Klopferkennung bewirkt wird, bezüglich der Position und der Länge einstellbar, so daß die Genauigkeit der Klopferkennung verbessert werden kann, und wobei die Anwendung dieser Techniken eine genauere Regelung der Zündeinstellung ermöglicht, und zwar abhängig von dem Auftreten eines Klopfens. Somit können die Motorausgangsleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden.From the above explanation, it is clear that the crank angle range in which a signal is received is changed in the present invention according to the frequency to be detected, so that the occurrence or non-occurrence of knocking can be determined in a crank angle range in which a vibration component of the frequency used appears very distinctive. Accordingly, the window in which knocking detection is effected is adjustable in position and length, so that the accuracy of knocking detection can be improved, and the application of these techniques enables more precise control of the ignition timing depending on the occurrence of knocking. Thus, the engine output and fuel consumption can be improved.

Die Mittenfrequenz beim Auftreten eines Klopfenss ändert sich ebenso mit der Temperatur des Kühlwassers, der Temperatur und der Feuchtigkeit der Ansaugluft und den Betriebsbedingungen. Somit ermöglicht eine Veränderung der Mittenfrequenz abhängig von diesen Bedingungen eine Klopferkennung mit höherer Genauigkeit.The center frequency when knocking occurs also changes with the temperature of the cooling water, the temperature and humidity of the intake air and the operating conditions. Thus, changing the center frequency depending on these conditions enables knock detection with greater accuracy.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, das Auftreten eines Klopfzustands immer mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, und zwar durch Überprüfung kennzeichnender Klopffrequenzen im Zusammenklang mit den Betriebsbedingungen des Motors, so daß eine genaue Klopfregelung erreicht wird.The present invention makes it possible to always determine the occurrence of a knock condition with high accuracy by checking characteristic knock frequencies in conjunction with the operating conditions of the engine, so that accurate knock control is achieved.

Ferner ermöglicht die Auswahl von mehr als einer Frequenz die Verwendung geeigneter Frequenzen zur Erkennung eines Klopfens selbst bei hoher Belastung sowie bei hoher Ceschwindigkeit des Motors. Ferner ist der proportionale Unterschied zwischen der Klopfintensität I und der Bezugsintensität Io zwischen dem Zustand des Auftretens eines Klopfens und dem Zustand ohne ein Klopfen ausreichend groß, was zu einer präzisen Entscheidung bezüglich dem Auftreten eines Klopfzustands führt.Furthermore, the selection of more than one frequency enables the use of appropriate frequencies for detecting knocking even under high load and at high engine speed. Furthermore, the proportional difference between the knock intensity I and the reference intensity Io between the knocking condition and the knock-free condition is sufficiently large, resulting in a precise decision regarding the occurrence of a knocking condition.

Da die Klopfsteuerung ferner auch ausführbar ist, wenn der Motor unter hoher Belastung und mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, kann der Betriebspunkt des Motors näher an die für die MBT- Regelung erforderliche Zündeinstellung herangebracht werden, was zu einem Anstieg der Motorleistung und einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.Furthermore, since knock control can be performed even when the engine is operated under high load and at high speed, the engine operating point can be brought closer to the ignition timing required for MBT control, resulting in an increase in engine output and a reduction in fuel consumption.

Claims

1. Method for detecting knocking in an internal combustion engine with a crankshaft (4) and a knock detection sensor (17), by detecting the engine vibration caused by knocking by the knock detection sensor, namely between a first and a second angle of the crankshaft (4), characterized in that at least one of the first and second angles is changed independently depending on a frequency vibration spectrum to be detected,

2. The method according to claim 1, wherein a plurality of frequency spectra (βfl, βfn) occurring between different first and second crankshaft angles are individually analyzed to determine the knock intensity.

3. Method according to claim 2, wherein a plurality of frequency spectra are detected, each having different center frequencies (fi, fk).

4. Method according to one of the preceding claims, wherein the first crank angle is variable, and wherein the difference between the first and second angles is fixedly predetermined.

5. A method according to any preceding claim, wherein the crank angle range between the first and second crank angles is limited so that the vibration effect caused by mechanical noise, such as by reciprocating engine intake and exhaust valves, is reduced.

6. The method of claim 3, wherein the frequency spectra are analyzed to determine an overall knock signal level (I), and wherein the ignition timing of the engine is retarded when the level exceeds a predetermined level (Io).

7. Method according to one of the preceding claims, wherein the frequency spectrum is acquired at a plurality of sampling points (2n) in the spectrum, the sampling values being analyzed.

8. The method according to claim 7, wherein the analysis is a fast Fourier transform or a Walsh-Fourier transform analysis, which are known per se.

9. A method according to any preceding claim, wherein the first and second angles are varied depending on the engine speed, the engine water temperature, the intake air temperature, the intake air humidity or the engine mileage.

10. The method of claim 3, wherein each of the frequency spectra represents a vibration mode (f₁₀, f₂₀) in a corresponding cylinder of the engine.

11. The method of claim 7, wherein the frequency of the maximum amplitude for each frequency spectrum is determined by data analysis on two or more consecutive frequency samples.

12. A method according to claim 11, wherein the frequency of the maximum amplitude is multiplied by a weighting factor (Wj), and wherein the weighted frequencies of the maximum amplitude for each mode are summed to provide a tone index (C), wherein the knocking condition is detected by comparing the tone index with a predetermined signal (Io).

13. The method of claim 11 or 12, wherein the first and second crank angles are shifted to the next cycle if the frequency of the maximum amplitude is not centrally located in the frequency spectrum, so that the frequency of the maximum amplitude is centralized.

14. Device for detecting knocking in an internal combustion engine (7), with a knock detection sensor (17) for detecting the knocking caused by engine vibration, and with an adjustment device (20-34) for evaluating the signals of the knock detection sensor between a first and a second angle of the crankshaft, characterized by a device (20) for independently changing at least one of the first and second angles, depending on a vibration spectrum to be detected.

15. Apparatus according to claim 14, comprising means (Figure 14(d)) for evaluating the detected vibration frequency spectrum, and means (1405) for comparing an output of the evaluating means with means which generates a predetermined signal level (Io), and means for changing the ignition timing of the engine signal if the output of the evaluating means exceeds a predetermined signal level.